基于單片機(jī)的自動(dòng)航材運(yùn)輸機(jī)器人方案設(shè)計(jì)

盛騰飛

摘 要：隨著國(guó)家推進(jìn)工業(yè)4.0、互聯(lián)網(wǎng)+等一系列產(chǎn)業(yè)升級(jí)的戰(zhàn)略方針，自動(dòng)化機(jī)器人成為當(dāng)前熱議的話題。各行各業(yè)掀起了以自動(dòng)化機(jī)器人廣泛應(yīng)用為標(biāo)志的產(chǎn)業(yè)革新。文章設(shè)計(jì)了一種新型自動(dòng)化運(yùn)輸機(jī)器人，其具有自動(dòng)壁障、路線規(guī)劃等智能功能，可以應(yīng)用在一些需要要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)引功能和避障功能運(yùn)輸場(chǎng)景下。本運(yùn)輸機(jī)器人可以自行感知在地面上設(shè)置的引導(dǎo)線，并跟隨引導(dǎo)線完成自動(dòng)運(yùn)輸?shù)墓δ埽瑫r(shí)利用超聲波原理，感知前方和側(cè)面的障礙物，當(dāng)障礙物和小車(chē)的距離低于安全距離時(shí)，小車(chē)可以自動(dòng)完成壁障，同時(shí)可以智能地回到之前所規(guī)劃的路線繼續(xù)行進(jìn)，完成運(yùn)輸任務(wù)。

關(guān)鍵詞：傳感器；路況感知；壁障；自動(dòng)化；方案設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）19-0096-02

Abstract： With the national promotion of industrial 4.0， Internet Plus and a series of industrial upgrading strategy， the automatic robot has become a hot topic. A variety of industries have set off an industrial innovation marked by the widespread use of automated robots. In this paper， a new type of automatic transportation robot is designed， which has intelligent functions such as automatic wall barrier， route planning and so on. It can be used in some transportation scenarios where automatic guidance function and obstacle avoidance function are needed to be realized. The transport robot can sense the guiding line set on the ground and follow the guiding line to complete the function of automatic transportation. At the same time， it can use the principle of ultrasonic wave to perceive the obstacles in front and side. When the distance between the obstacle and the car is lower than the safe distance， the vehicle can automatically complete the wall barrier， and can intelligently return to the planned route to continue to complete the transportation task.

Keywords： sensor； road condition perception； wall barrier； automation； scheme design

1 概述

該智能航材運(yùn)輸小車(chē)作為智能機(jī)器人的一種形態(tài)。它主要可以分為四大模塊：光電傳感器檢測(cè)模塊、超聲波避障模塊、動(dòng)作執(zhí)行模塊、單片機(jī)中央處理模塊。由于獨(dú)立的視覺(jué)感知系統(tǒng)算法過(guò)于復(fù)雜，且需要高清CMOS傳感器，因?yàn)楸疚挠懻搶?duì)比強(qiáng)烈的黑白標(biāo)記，所以，使用普通的光電對(duì)管來(lái)完成圖像的感知。因?yàn)閱纹瑱C(jī)端口輸出能力的限制，一般單片機(jī)無(wú)法直接輸出驅(qū)動(dòng)較大功率的直流電機(jī)，在此條件下，有兩種常用方案來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)：第一種，為了減小單片機(jī)的資源占用，直接選取可以輸出PWM波的單片機(jī)，同時(shí)選取小功率，小負(fù)載的直流電機(jī)，這樣既可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能，又可以減少電路的復(fù)雜程度，由于單片機(jī)I/O口功率的限制，這種方案只適合驅(qū)動(dòng)玩具小車(chē)等一些電機(jī)功率比較小的場(chǎng)景，無(wú)法應(yīng)用與運(yùn)輸類(lèi)別的智能機(jī)器人；第二，使用專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)電路或驅(qū)動(dòng)芯片，將單片機(jī)I/O口的輸出功率進(jìn)行線性放大，可以通過(guò)軟件模擬的方式實(shí)現(xiàn)PWM波型輸出，這種方式需要犧牲一定的單片機(jī)資源，但是可以通過(guò)性能更好的單片機(jī)來(lái)彌補(bǔ)性能上的損失，整體上對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力也更強(qiáng)，適合需要一定載重的使用場(chǎng)景。考慮的本設(shè)計(jì)的應(yīng)用場(chǎng)景，本設(shè)計(jì)選擇第二種方案。中央處理單元上選取89C52單片機(jī)，性能上可以很好的滿(mǎn)足需求。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在自動(dòng)運(yùn)輸車(chē)部署前，需要在地面上部署深色的引導(dǎo)線（以黑色最佳），以引導(dǎo)運(yùn)輸車(chē)按固定的航材運(yùn)送路線行進(jìn)。自動(dòng)航材運(yùn)輸小車(chē)使用兩個(gè)獨(dú)立的直流電機(jī)作為動(dòng)力單元，并且單獨(dú)控制每個(gè)電機(jī)，使左右輪產(chǎn)生速度差即可以完成轉(zhuǎn)向功能，使用一個(gè)獨(dú)立的萬(wàn)向輪作為支撐輪，它會(huì)隨著兩個(gè)動(dòng)力輪的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)使用一排三組共六對(duì)光電對(duì)管作為檢測(cè)地面黑線的傳感器。這六對(duì)光電對(duì)管分別位于車(chē)身前面板的左、中、右三處，用來(lái)分辨車(chē)身和黑線的相對(duì)位置。當(dāng)左側(cè)的光電對(duì)管檢測(cè)到黑線在車(chē)身左側(cè)時(shí)，則主控模塊控制車(chē)身向左方轉(zhuǎn)動(dòng)，相當(dāng)于運(yùn)輸車(chē)往左修正，當(dāng)右側(cè)光電對(duì)管檢測(cè)到黑線在車(chē)身右側(cè)時(shí)，控制運(yùn)輸車(chē)往右側(cè)修正，當(dāng)中間光電對(duì)管檢測(cè)到黑線時(shí)，此時(shí)控制車(chē)身直行。

避障的原理和循跡原理不同，在車(chē)身前方裝一對(duì)超聲波模塊，利用超聲波測(cè)距的原理，可以實(shí)時(shí)判斷前方障礙物和運(yùn)輸車(chē)的距離、接近速度，當(dāng)障礙物和車(chē)身的距離小于門(mén)限值時(shí)，主控模塊控制小車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而避開(kāi)障礙物。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路（動(dòng)作執(zhí)行模塊）

本設(shè)計(jì)采用H橋式驅(qū)動(dòng)芯片L298N完成智能運(yùn)輸車(chē)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。L298N最高輸出電流為4A，最大工作電壓為50V，完全可以滿(mǎn)足大功率電機(jī)的使用需求。同時(shí)，L298N的四個(gè)輸入管腳，通過(guò)單片機(jī)輸入不同的電平組合，可以分別實(shí)現(xiàn)控制左右電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制。其標(biāo)準(zhǔn)電路圖如下所示：

2.3 光電傳感器檢測(cè)模塊

由于地面的導(dǎo)引線一般漆成黑色，且黑色會(huì)吸收絕大多數(shù)波長(zhǎng)的光波，所以黑色對(duì)于紅外線具有很好的吸收性，而除了黑色以外的其他顏色，對(duì)紅外線又具有很好的反射性，利用這種特性，我們就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)黑色導(dǎo)引線的識(shí)別。

本設(shè)計(jì)采用TCRT5000性光電對(duì)管作為傳感器，使用LM339作為電壓比較器，探測(cè)電路的電路圖如圖2所示：

2.4 單片機(jī)中央處理模塊

本模塊主要是以89C52為核心的信號(hào)中央處理電路，其作用只要是將傳感器模塊所采集到的光電信號(hào)、超聲波模塊采集的障礙物距離信號(hào)，進(jìn)行綜合處理和分析，同時(shí)控制運(yùn)輸車(chē)的動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)-電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸車(chē)的各種避障循跡功能。

2.5 超聲波收發(fā)電路設(shè)計(jì)

超聲波收發(fā)電路的主要功能是實(shí)時(shí)測(cè)量小車(chē)和障礙物之間的距離，并通過(guò)超聲波模塊本身的數(shù)碼管進(jìn)行顯示，同時(shí)，如果距離障礙物過(guò)近的話，超聲波模塊上的蜂鳴器會(huì)發(fā)出滴滴聲，進(jìn)行警報(bào)。其電路設(shè)計(jì)如圖3所示：

3 總結(jié)驗(yàn)證

整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)原則，整體通過(guò)光電傳感器模塊、超聲波模塊、單片機(jī)中央處理模塊，動(dòng)作執(zhí)行模塊，配合相應(yīng)的循跡軟件、距離探測(cè)軟件、避障軟件以實(shí)現(xiàn)如下功能：

（1）自動(dòng)沿著運(yùn)輸導(dǎo)引線行駛：運(yùn)輸車(chē)可以自動(dòng)檢測(cè)導(dǎo)引線軌道，并沿著導(dǎo)引線軌道行駛，并不受導(dǎo)引線形狀的影響，當(dāng)運(yùn)輸車(chē)偏離時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)糾正。

（2）運(yùn)輸車(chē)可自動(dòng)探測(cè)前方障礙物的距離，并通過(guò)超聲波模塊上的數(shù)碼管顯示出來(lái)，當(dāng)障礙物距離低于門(mén)限值時(shí)，運(yùn)輸車(chē)可以自動(dòng)規(guī)劃路徑，實(shí)現(xiàn)避障，避障完成后，小車(chē)將自動(dòng)回歸導(dǎo)引線，繼續(xù)運(yùn)輸任務(wù)。

通過(guò)protues仿真軟件對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行模擬驗(yàn)證，每個(gè)模塊都可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)設(shè)計(jì)功能。仿真的成功只能說(shuō)明本設(shè)計(jì)在邏輯方面可行，但如果做出航材運(yùn)輸小車(chē)實(shí)物，后續(xù)需要解決很多實(shí)際問(wèn)題，例如：蓄電池的選型問(wèn)題，能量密度不能過(guò)小，不然運(yùn)輸車(chē)需要經(jīng)常充電，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)用化要求。電機(jī)功率不能過(guò)小，太小會(huì)導(dǎo)致小車(chē)載重能力不足。此外，超聲波模塊的探測(cè)距離，光電對(duì)管的靈敏度等，都需要在后期實(shí)際調(diào)整。本設(shè)計(jì)為全新的全自動(dòng)化運(yùn)輸機(jī)器人提供了研發(fā)參考。

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